红外感应灯电路设计及原理

红外感应灯电路设计及原理

1、电路主要光学元件

（1）光敏电阻的应用

光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性, 是一个电阻器件。制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金属硒化物，通常采用涂敷、喷涂等方法，在陶瓷基片上涂上半导体薄膜，经烧结而成。

光敏电阻的结构：在底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极与引出线端相连接，通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，光敏电阻结构，光敏电阻电极，光敏电阻接线图光敏电阻工作原理--内光电效应。光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。亮电阻很小，暗电阻很大。要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足刚好发生内光电效应的临界波长。

常用的光敏电阻器是硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1-10MΩ；在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4-0.76um）的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

本电路采用MG42型CdS光敏电阻，CdS光敏电阻属半导体光敏器件，产品经受强化老练实验，除具有灵敏度高，反应速度快，光谱特性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性，适合于将其用于各种环境，MG42型光敏电阻与其它型号相比具有：工作电压和额定功率比较低的特点，其亮、暗电阻也适合于本照明电路的需要，所以在设计时选择了这个型号。

（2）可控硅元件的工作原理

可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示

图1 可控硅等效图解图

当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。

由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。

由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1

表1 可控硅导通和关断条件

在控制极G上加入正向电压时因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图2的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。

利用可控硅的触发导通性能就可实现对照明灯的控制，即相当于一个开关的作用。单向可控硅具有一触即发实现自锁的功能。本电路选用单向可控硅，其最大工作电流（1A）和最高工作电压（400V）完全能满足本电路的需要，控制极电流在10uA～30uA之间，故触发灵敏度很高。

（3）菲涅尔透镜的应用

所谓的菲涅尔透镜就是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜组，它与热释电元件配合，可以提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。实验证明，传感器加上菲涅尔透镜后，其检测距离可以由原来的2米而增加到10米。透镜的工作原理是当移动物体或人体发射的红外线进入透镜的监视范围，就会产生一个交替的“盲区”和“高敏感区”，使传感器晶片的两个反向串联的热释电元件是轮流感受到运动物体，所以人体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使它输出一串脉冲信号，若人体静止不动地站在热释电元件前，它会无输出，可提高热释电红外传感器的抗干扰性能[8]。

菲涅尔透镜的主要作用就是将探测空间的红外线有效地集中到传感器上。通过分布在镜片上的同心圆的窄带（视窗）用来实现红外线的聚集，相当于凸透镜的作用。这部分选择主要是看透镜窄带的设计及透镜材质。考虑透镜的参数主要有：光通量、不同透镜同心度、厚度不均匀性、透镜光轴与外形同心度、透过率、焦距误差等。菲涅尔透镜窄带（视窗）的设计一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。材质一般用有机玻璃。

2、系统及工作流程设计

整个照明控制系统主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和执行电路等及部分组成。在光学系统中菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性[9]；热释电红外探测器是红外感应灯的核心器件，它可以把人体的红外信号转变为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱信号进行放大、滤波、比较、延时，为照明功能的实现打下基础。

（1）双元热释电红外传感器工作原理分析

无论反向串联型传感器中的两个红外敏感元件的几何形状和相互位置关系如何，都可以用图2(a)来表示（假设a为检测元件，b为噪声补偿元件）。现在假设有人体从传感器前沿着两个敏感元件反向串联的方向从左向右经过，则根据人体与敏感元件相对位置的不同可对传感器信号产生作出分析。如图2(b)所示，当人体刚刚进入传感器视野的时候，由于人体到两个敏感元件的距离及角度不同而造成入射到两敏感元件上的能量变化速率不同，具体是a>b，因此传感器输出信号应以a的信号为主，可设符号为“＋”。如图2(c)所示，当人体运动到传感器视野中央位置附近时，对于两个敏感元件来说一个是离开一个是接近，于是各自产生的信号符号不同，但由于两元件反向串联，因此传感器输出信号应是二者信号的反向迭加的结果，其值比任一元件单独产生的信号都要大，故符号为“－”。如图2(d)所示，当人体运动到即将离开传感器视野时，两敏感元件上的能量变化情况是b>a，因此传感器输出信号应该以b为主，由于对于b来说人体离开且它的串联方式与a相反，故符号为“＋”。由于传感器输出信号波形是连续的，再根据以上分析，可以得出传感器输出波形大致如图2(e)所示，波形的第二个正峰值低于第一个正峰值是由于敏感元件b为噪声补偿元件，蒸有红外反射膜，因此它产生的输出信号较小。如果人体运动方向相反，则分析也可类似进行，而得到的结果恰好相反，如图2(f)所示。这样，根据上面的分析就可将人体运动通过传感器的输出信号波形检测出来。

（2） 信号处理电路设计

通过前面对双元型传感器对人体运动判断工作原理的分析，已经知道从传感器的输出信号波形来看是可以判断出人体的运动。但是，从传感器输出的信号显然是不可以直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于控制照明灯的信号。

①放大电路

本电路使用的芯片IC1使用廉价的四运放LM324，用其中两个运放组成带通放大器。放大电路由R2、R3、IC1a和R6、R7、IC1b组成两级低频带通高增益放大器，增益取值应以能够将传感器的输出信号电压放大至便于处理的1.0～4.5 V为宜。第一级放大器增益为:AV1=R3/R2,第二级放大器增益为：AV2=R7/R6,总放大增益为：AV =AV1× AV2。当选择适当的电阻值后就可将增益设置到适当的值。

②电压比较器

　电压比较器起到有无人体进入检测区的作用，同时也消除环境温度变化所产生的干扰。当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送到窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出低电平信号；无异常情况时则输出高电平信号。LM324另外两个运放组成电压比较检测窗口，在比较器中，两个电阻与两只二极管用作参考电压，将分压器的中点电压设定到电源电压6V的一半3V，经两只二极管分压后将上下限电压分别设定到3.6V、2.4V。静态时第一级放大器输出的干扰信号电压幅度在2.4～3.6V这个范围。

③延时电路

延时电路使用IC2单时基电路NE555，延时时间T=1.1RC。选择适当的参数就可以控制延时时间。其作用有两个：一是为人离开检测区是提供一段延时时间；二是在人进入检测区后提供关断检测器所需的时间，延时电路工作是输出的高电平使可控硅导通，照明灯接通电源后就亮。

3、电路原理图

电路原理如图3所示

4、电路工作原理

热释电控制自动节能灯电路中的信号放大器由两部分组成，第一部分是由lCla 、lClb 组成的两级低频带通高增益放大器，第二部分是由lClc 和lCld 组成的双限电压比较器。

本电路采用的信号电压比较器称为双限式电压比较器，也称为窗口比较器。这个双限电压比较器由lClb~lCld 组成，其中lClc 用作上限比较， lCld 用作下限比较。上限比较器的参考电压加于lClc 的同相输入端，下限比较器的参考电压加于lCld 的反相输入端。上、下限比较器的两个参考电压是通过R5 ， R8 与VDl ， VD2 分压后取得的。由于R5 =1M，R8=1M，VDl 与VD2 的压降固定为O. 6~0. 7V。设压降为0.6V ，则这个分压器的中点电压(也就是lClb 的反相端电压)等于电源电压(6V) 的一半，即3V。该电压作为带通放大器lClb输出的正弦信号电压的中点。VDl 上端的电压作为上限比较器lClc 的参考电压加在它的同相端，其数值等于3.6V (即3V+0. 6V); VD2 下端的电压作为下限比较器lC1 d 的参考电压加在它的反相端，其数值等于2.4V (即3V一0.6V) 。

由电压比较器的工作原理可知，当同相输入端的电压高于反相输入端的电压时，比较器输出高电平;当同相输入端的电压低于反相输入端的电压时，比较器输出低电平。由于带通放大器的输出电压中点设在3V ，因此双限电庄比较器的门限电压分别设在3.6V 和2.4V。静态时，lCla 输出的干扰信号电压幅度在2. 4-3. 6V 这个范围，这时比较器lClc、lCld 均输出高电平，隔离二极管VD3 ，VD4 被反向偏置而截止。

当有传感信号输入时，带通放大器lCla 输出控制信号。在信号的正半周，当信号电压幅度大于3.6V 时，lClc 输出低电平；在信号的负半周，当信号电压幅度低于2.4V 时，lCld 输出低电平。这样，既保证了在信号的正负半周电压比较器都有触发信号输出，又抑制了干扰信号。

NE555与R11、C7 组成一个脉冲启动的单稳态触发电路，一方面用来触发双向晶闸管VS，另一方面组成单稳态延时电路，使电灯在人离开时延时一段时间后自动关闭。该单稳态触发器由低电平或负向脉冲触发翻转。当lClc、lCld 输出低电平时， lC2 被触发翻转，它的输出端③脚输出高电平。该高电平通过R14 将双向晶闸管VS 触发，使其导通，电灯亮。lC2 翻转后，电源经Rll 向C7 充电，充电时间T = 1.1R11C7 ,延时60s 后电路翻转，lC2 的③脚变为低电平，VS 关断，电灯灭。

在热释电控制自动节能灯电路中，可调电阻R12 、R13 、光敏电阻RG 与lC2 的④脚组成光控电路，使电路仅在夜间起控制作用。而在白天，由于RG 阻值变得很小，④脚在R12、R13+RG 的分压中处于低电平，将lC2置于强复位状态，电路处于等待状态。在夜晚，当lC2 被触发翻转后，③脚输出的高电平通过VD5 加至④脚，使④脚不致因灯亮后对RG 的照射而影响电路的工作[13]。

电阻R9 、RI0 作为IC2 的②脚的偏置电路，在静态时将②脚偏置于高电平，使单稳态电路保持稳态。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/1a2105a4370cba1aa8114431b90d6c85ec3a8893.html